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NASA usa a Terra como laboratório para estudar mundos distantes


Estas imagens mostram o lado iluminado da Terra em 10 diferentes comprimentos de onda que caem no infravermelho, no visível e no ultravioleta; as imagens são representativas da cor, porque nem todos estes comprimentos de onda são visíveis ao olho humano. Cada comprimento de onda realça diferentes características do planeta - por exemplo, o continente africano é visível na imagem do canto inferior direito, mas quase invisível na do canto superior esquerdo. Estas observações foram obtidas pelo instrumento EPIC da NASA a bordo do satélite DSCOVR da NOAA, no dia 2 de agosto de 2017.
Crédito: NASA/NOAA

O estudo dos exoplanetas - planetas para lá do nosso Sistema Solar - pode ajudar os cientistas a responder a grandes questões sobre o nosso lugar no Universo e se a vida existe além da Terra. Mas estes mundos distantes são extremamente tênues e difíceis de observar diretamente. Um novo estudo usa a Terra como substituto para um exoplaneta e mostra que mesmo com pouquíssima luz - com apenas um pixel - ainda é possível medir as principais características de mundos distantes.

O novo estudo usa dados do instrumento EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera), a bordo do satélite DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) da NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). O DSCOVR gira em torno do Sol no ponto L1 de Lagrange, uma órbita específica que fornece ao EPIC uma visão constante da superfície do nosso planeta iluminado pelo Sol. O EPIC tem observado a Terra continuamente desde junho de 2015, produzindo mapas diferenciados da superfície do planeta em múltiplos comprimentos de onda e contribuindo para os estudos climáticos e meteorológicos.

O instrumento EPIC captura a luz refletida da Terra em 10 diferentes comprimentos de onda, ou cores. De modo que cada vez que o EPIC "tira uma foto" da Terra, na realidade obtém 10 imagens. O novo estudo calcula a média de cada imagem num único valor de brilho, ou o equivalente a uma imagem de "pixel único" para cada comprimento de onda. Um único instantâneo do planeta, com um único pixel, forneceria muito pouca informação sobre a superfície. Mas no novo estudo, os autores analisaram um conjunto de dados que contém imagens de pixel único captadas várias vezes por dia, em 10 comprimentos de onda diferentes, ao longo de um período prolongado de tempo. Apesar do facto de que todo o planeta foi reduzido a um único ponto de luz, os autores foram capazes de identificar nuvens na atmosfera e de medir a rotação do planeta (a duração do seu dia). Os autores dizem que o estudo, publicado na edição de 27 de junho da revista The Astronomical Journal, demonstra que a mesma informação pode ser derivada de observações de pixel único de exoplanetas.

"O benefício de usar a Terra como homólogo para um exoplaneta é que podemos verificar as nossas conclusões derivadas dos dados de um único pixel com a riqueza de dados que realmente possuímos para a Terra - não podemos fazer isso se estivermos a usar dados de um exoplaneta distante e real," comenta Jonathan Jiang, cientista atmosférico e climático do JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, autor principal do novo estudo.

Um minúsculo ponto de luz

Quando a filha de Jiang, Teresa, estava na escola primária, ele organizou um evento de observação das estrelas para ela e para as suas amigas. Jiang apontou para as estrelas e disse à filha que o Sol também é uma estrela, e que existem planetas em órbita de outras estrelas exatamente como os planetas orbitam o Sol. Ela pressionou o pai por mais informações, perguntando como os cientistas podiam aprender mais sobre esses mundos distantes a partir de pequenos pontos de luz no céu.

"As crianças fazem muitas perguntas boas," comenta Jiang. "E essa pergunta ficou na minha mente - se eu posso ver um exoplaneta como apenas um pequeno ponto de luz, posso ver nuvens e oceanos e terra?"

Jiang começou a sua carreira em astrofísica, mas para o seu trabalho de doutorado, decidiu aplicar as suas capacidades de computação e modelagem física ao clima da Terra. Agora, usa dados climáticos para auxiliar no estudo de exoplanetas. Os exoplanetas são significativamente mais ténues do que as estrelas e muito mais difíceis de detetar. A Terra, por exemplo, é aproximadamente 10 mil milhões de vezes mais tênue do que o Sol. Apenas foram descobertos cerca de 45 exoplanetas através de observação direta, todos os quais são muito maiores do que a Terra. A maioria dos exoplanetas conhecidos (já foram confirmados mais de 3700) foram detectados indiretamente, usando técnicas como o método de trânsito, no qual os cientistas observam o leve escurecimento de uma estrela provocado pelo trânsito de um exoplaneta através da sua face.

O instrumento EPIC captura a luz refletida no lado iluminado da Terra em 10 diferentes comprimentos de onda, porque diferentes materiais refletem diferentes comprimentos de onda de luz em diferentes graus - as plantas, por exemplo, refletem principalmente a luz verde. E um planeta avermelhado como Marte, por exemplo, teria um perfil de cor muito diferente comparado com um planeta coberto de gelo.

O novo estudo mostra que ao observarmos um planeta com características distintas ao longo do tempo - como oceanos e continentes - é possível medir a taxa de rotação do planeta observando um padrão repetitivo na luz refletida. Este padrão surgiria daquelas características planetárias que se deslocam para observação com uma cadência regular. Por exemplo, a cada 24 horas, a Austrália e o Oceano Pacífico preenchem o campo de visão do EPIC, e cerca de 12 horas depois a América do Sul e o Atlântico, com a África e o Oceano Índico passando entre eles. Este padrão de mudança de luz repete-se dia após dia. No novo artigo, os autores mostram que podem detetar esse ciclo repetitivo e assim determinar a rotação ou a duração do dia do planeta. A rotação de um planeta pode revelar informações sobre como e quando o planeta se formou e é uma propriedade particularmente difícil de medir com os métodos atuais.

"As pessoas falam já há algum tempo em usar esta abordagem para medir a rotação dos exoplanetas, mas não havia demonstração de que podia funcionar porque não tínhamos dados reais," comentou Renyu Hu, cientista exoplanetário do JPL e coautor do novo estudo. "Nós mostramos que em todos os comprimentos de onda, aparece o período de 24 horas, o que significa que esta abordagem para medir a rotação do planeta é robusta."

No entanto, os autores realçam que a eficácia deste método dependeria das características únicas do planeta. Um padrão de ciclo diário pode não ser visível num planeta com uma superfície amplamente homogênea. Vênus, por exemplo, está coberto por espessas nuvens e não tem oceanos, de modo que poderia não aparecer um padrão diário recorrente, ou poderia não ser distinto o suficiente para ser observado numa imagem com um pixel. Planetas como Mercúrio e Marte também seriam um desafio, mas Jiang explica que características planetárias como crateras também podem contribuir para um padrão que pode ser usado para medir o período de rotação.

Fotografando exoplanetas

Estudos anteriores usaram a Terra como substituto para exoplanetas, para investigar que tipos de propriedades planetárias poderiam ser derivadas de longe, mas nenhum estudo anterior analisou tantos comprimentos de onda. Este é o primeiro estudo do tipo a capturar um conjunto de dados tão grande, ao longo de um grande período de tempo: usou mais de 27 meses de observações, com imagens do EPIC obtidas aproximadamente 13 vezes por dia.

As observações diretas de exoplanetas têm muito menos dados do que os usados no novo estudo, mas os investigadores relatam que a medição do período de rotação de um exoplaneta com mais de 90% de confiança exigiria imagens apenas duas a três vezes por período orbital (isto é, por cada "dia" naquele exoplaneta em particular) para aproximadamente 7 períodos orbitais.

O tempo que os astrônomos teriam para observar um exoplaneta a fim de identificar o seu período de rotação também depende da quantidade de luz indesejada incluída nos dados exoplanetários. Os dados do EPIC fornecem uma visão excecionalmente clara da Terra, em grande parte não afetada pela luz de outras fontes. Mas um dos principais desafios em fotografar diretamente os exoplanetas é que são muito mais fracos do que as suas estrelas hospedeiras. A luz da estrela próxima pode facilmente abafar a luz de um exoplaneta, tornando esta última invisível. Com o sinal do planeta a competir com a luz da estrela, pode levar mais tempo para discernir um padrão que possa revelar o período de rotação de um planeta. A NASA está a investigar potenciais projetos para telescópios de próxima geração que possam ser capazes de fotografar diretamente os exoplanetas do tamanho da Terra.

Com o campo de imagens diretas de exoplanetas em andamento, Jiang não terminou de pensar na pergunta que a sua filha lhe fez há mais de uma década. Se os cientistas podem aprender mais sobre as características superficiais de planetas distantes, será que poderiam responder a uma questão ainda maior que ela também colocou - será que algum desses planetas tem vida?


Esta ilustração mostra uma imagem melhorada da Terra obtida pelo instrumento EPIC (topo). O EPIC observa o planeta em 10 diferentes comprimentos de onda, vistos aqui como as 10 imagens coloridas no meio. Um novo estudo calcula a média dos dados de cada comprimento de onda do EPIC até um único valor de brilho, ou o equivalente a uma imagem de "pixel único". Isto permitiu que os autores do estudo simulassem observações de um exoplaneta distante.
Crédito: NASA/NOAA/JPL-Caltech


Esta imagem mostra o lado iluminado da Terra, observado em 10 comprimentos de onda pelo instrumento EPIC a bordo do satélite DSCOVR. Cada imagem mostra o mesmo instantâneo da Terra num diferente comprimento de onda. A frequência está indicada por cima de cada das imagens.
Crédito: NASA/NOAA


Esta animação mostra uma série de observações obtidas pelo instrumento EPIC num dos 10 comprimentos de onda. Neste comprimento de onda, a distinção entre continentes e oceanos é particularmente visível. De acordo com um novo estudo, o padrão repetitivo criado pela rotação do planeta pode ser observável por um telescópio poderoso que vê o planeta a muitos anos-luz de distância.
Crédito: NASA/NOAA


Esta imagem, obtida pela sonda Voyager 1 da NASA para lá da órbita de Neptuno, mostra o planeta Terra a 5,9 bilhões de quilômetros de distância. A Terra aparece como um pequeno ponto de luz no lado direito da imagem, indicado pela seta. Com o nome "Pálido Ponto Azul", a imagem ilustra quão pequeno um planeta do tamanho da Terra é quando visto de longe.
Crédito: NASA/JPL-Caltech



FONTE: ASTRONOMIA ONLINE - SPACE TODAY TV

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